地应力测井解释方法及其可靠性对比

王兆生 ，曾联波，李晶，刘道杰，于江涛

1.辽宁工程技术大学矿业学院，辽宁阜新 123000；2.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京昌平 102249；3.中国石油测井有限公司新疆分公司，新疆克拉玛依 834000；4.中国石油冀东油田分公司，河北唐山063000

引言

地应力是地壳中应力的总称，是指存在于地壳中未受工程扰动的天然应力[1]。地质力学将地应力分为古地应力和现今地应力，其中，现今地应力是指目前存在的或正在发生变化的地应力[2]。现今地应力对井壁稳定性、井网布局及水力压裂施工等方面具有重要影响[3-4]。应用测井资料分析油气藏的地应力特征，具有垂向连续性好、精度高和应用范围广等优点[5-6]，国内外众多学者主要利用地层倾角测井、成像测井和偶极声波测井等资料，基于井壁崩落法、诱导缝法和波速各向异性法开展地应力场的研究工作[7-10]。由于每种测井资料在解释地应力方位时都有其适用条件和不利干扰因素，对地应力方位结果的准确性带来影响。

本文以渤海湾盆地高尚堡油田G6 井为例，阐述基于地层倾角测井、成像测井和正交偶极声波测井资料分析现今地应力方位的理论基础、解释方法和影响因素，参考邻井的微地震监测结果，分析不同测井地应力解释方法的可靠性，对于准确判断单井地应力方位具有重要意义。

1 地质背景

高尚堡油田处于渤海湾盆地南堡凹陷高柳断层的上升盘，整体构造形态为一穹隆状背斜，构造面积约90 km2（图1）。地层产状平缓，背斜幅度随地层沉积厚度加大而逐渐减小，至东营组后背斜逐步消失[11-12]。

图1 高尚堡油田构造位置Fig.1 Tectonic location of Gaoshangpu Oilfield

G6 井是位于高尚堡油田东南部的一口直井，沙河街组三段是其主要的含油层段。储层岩性以扇三角洲前缘水下分流河道砂体为主、河口坝砂体次之。岩芯中有少量的中高角度天然裂缝发育。物性测试表明，储层平均孔隙度约10.0%，平均渗透率为21.6 mD，属于典型的低渗透砂岩储层。目前，单井原油产量低，开发效果不理想，正处于水力压裂注水开发的试验阶段。

2 基本原理和方法

2.1 测井地应力分析的基本原理

钻井过程中井壁崩落和诱导缝产生的原因与应力场的非平衡性有关。厚度大且各向同性的弹性地层中，在最大水平主应力（SH）、最小水平主应力（Sh）和井内流体与地层流体间压力差∆p的共同作用下，任意一点O′（图2）满足Kirsch 方程[13]

图2 井周围应力分布Fig.2 Stress distribution around wellbore

当σθA<σt（σt抗张强度，MPa）时，井壁发生破裂，形成走向与最大水平主应力方向一致的压裂缝。

B点及对称点B′周向应力σθB（σθB′）值最大

压应力在最小水平主应力方向上集中，若σθ摩尔圆与库仑破裂包络线相交，岩石将破碎，产生井壁崩落现象。因此，崩落长轴方向与最小水平主应力方向相一致，崩落的半径由SH和Sh的比值决定[14]。钻井导致地下岩石原有的应力状态发生变化，在应力释放过程中伴有微小裂缝产生。微裂缝的空间分布与原岩应力方向有关，同时，微裂缝数量和发育强度与原岩应力大小成正比。在声波传播特性上，表现为声波传播速度在最大水平主应力方向上最快[15]。在应力不均或裂缝性地层中，横波的传播速度具有方位各向异性，即横波传播过程中会分裂成快横波和慢横波，出现明显偏振现象[16-17]，而快横波方位与SH方位或者天然裂缝走向相一致，以此来判断地应力方位或天然裂缝走向。

2.2 井壁崩落法

井壁崩落法地应力分析主要利用地层倾角测井和成像测井资料。地层倾角测井常用测井仪器包括四臂、六臂和八臂地层倾角测井仪。以六臂地层倾角测井仪为例，该设备依靠下部的推靠器实现六极板与井壁紧密接触，通常极板可±6◦自转，以达到更好的井壁接触效果。当井径发生变化时，极板带动机械传动装置引发推靠器内电位计的电阻变化，进而实现井径值测量[18-19]。井壁崩落段在六臂地层倾角测井曲线中表现为3 条井径曲线（C14、C25和C36）中的两条近似重合且与钻头直径接近，而另一条井径曲线明显大于另外两条（图3），依据第一极板的方位（AZ1）来判断椭圆井眼的长轴方位。井壁崩落段垂向上主要分布在几米至十几米，甚至局部可达几十米。

图3 G6 井六臂地层倾角测井曲线的崩落特征Fig.3 Characteristics of borehole breakout in six-arm dipmeter log of Well G6

椭圆井眼长轴方位的判别方法如下：

（1）若C14井径值最大，C25和C36近似重合，长轴方位为AZ1；

（2）若C25井径值最大，C14和C36近似重合，长轴方位为AZ1+60◦；

（3）若C36井径值最大，C14和C25近似重合，长轴方位为AZ1+120◦。

在成像测井过程中，仪器借助液压系统使极板紧贴井壁。当井壁崩落形成椭圆井眼时，极板不能紧贴井壁，在2D 成像测井图像表现为180◦对称的暗色或黑色双轨（图4）。井径椭圆的长轴方位与暗色双轨方位一致，即SH方位与暗色双轨方位相垂直[20-21]，可依据双轨分布位置的方位信息分析水平主应力方位。

图4 G6 井井壁崩落和诱导裂缝图像Fig.4 The borehole breakout and drilling induced fractures image of Well G6

2.3 钻井诱导缝法

钻井诱导缝包括应力释放缝和重泥浆压裂缝两种类型。应力释放缝与天然裂缝在成像测井图上的区别较为明显，前者表现为断续正弦曲线特征，呈180◦对称的“八”字形或“倒八”字排列，应力释放裂缝走向即为SH方位[22]。在钻井过程中，泥浆柱压力起到与水力压裂相似作用[23]。当泥浆柱压力超过某一数值时，SH方位上的压性应力可转变为张性应力。当张性应力超过岩石抗张强度时，在井壁易产生重泥浆压裂缝，重泥浆压裂缝走向与SH方位一致[24]。在G6 井中深层，重泥浆压裂缝表现两条对称的垂直缝，裂缝宽度变化不大，方位稳定，同时伴有崩落现象，崩落方位和重泥浆压裂缝走向垂直（图4）。

2.4 波速各向异性法

波速各向异性法主要基于横波分裂现象来分析水平主应力方位。以正交偶极声波测井为例，正交偶极声波测井仪有两个相互垂直的声波发射器和8 组接收阵列（图5a），通常利用四分量波形数据函数来计算快横波方位和各向异性程度[25]，当正交偶极声源与快（慢）横波偏振面重合时，正交偶极声源激发的只有快（慢）横波。当偶极声源与快横波偏振面的夹角不为0◦或90◦时，将会发生横波分裂现象（图5b），波形方程见式（6）～式（9）。

图5 各向异性地层横波分裂示意图Fig.5 Diagram of S-wave splitting in anisotropic formation

式中：

式中：

由式（6）～式（9）联立可推导出快横波Vf、慢横波Vs和β

快横波和慢横波的速度变化可用来评价地层各向异性程度，横波各向异性程度与地应力差异（SH与Sh数值差）和裂缝发育强度成正比[26]。横波各向异性用快横波与慢横波速度（或时差）之差与快横波、慢横波速度（或时差）之和的比值表示[27]

3 测井地应力解释结果

高尚堡油田G6 井同时具有的六臂地层倾角测井、微电阻率扫描成像测井和正交偶极声波测井资料，为开展不同方法地应力方位判别的适应性评价提供了重要对比依据。

应用井壁崩落法、诱导裂缝法和波速各向异性法解释的G6 井沙三段的最大水平主应力方位如图6 所示，几种方法的最大水平主应力方位均为NEE——SWW 向，但不同测井资料的解释地应力方位结果也存在一定差别。

图6 G6 井不同资料解释的最大水平主应力方位结果Fig.6 Results of the SH orientation analysis by different interpretation methods in Well G6

基于成像测井资料，应用井壁崩落法分析的SH方位在60◦～90◦，优势方位为70◦～80◦（图6a）。钻井诱导裂缝法解释的SH方位是70◦～80◦（图6b）；基于六臂地层倾角测井资料，应用井壁崩落法分析SH的优势方位分布在80◦～90◦（图6c）；基于正交偶极声波测井，应用波速各向异性法解释的地应力方位较为复杂，SH方位表现为70◦～100◦和近S——N向，SH优势方位为80◦～90◦（图6d）。对比上述3 种测井资料分析地应力方位的结果，不同地应力解释方法的SH优势方位结果间有约10◦的差别。G6 井实验室岩芯差应变分析SH方位为75◦，同时，在G6井相邻区域有两口井（G12 井和G23 井）开展了水力压裂作业，且G12 井和G23 井距离断层较远，地应力方位不受断层扰动影响。对压裂井G12 井和G23井实施了井中微地震监测，微地震监测反演SH方位分别为72◦和74◦。

4 可靠性对比分析

在钻井过程中的应力不均、天然裂缝发育或钻遇断层等原因都可以诱发井壁出现崩落现象，因而地层倾角测井在直井中判断井壁崩落时易受其他非构造应力因素影响。结合地层倾角矢量图或地震解释成果可以排除断层干扰。当裂缝发育且准确位置未知时，难以排除裂缝诱发崩落的干扰，导致基于地层倾角测井的井壁崩落法解释地应力方位出现一定偏差。由于研究区裂缝发育密度较低，对基于地层倾角测井的井壁崩落法解释的地应力方位结果影响十分有限，地应力方位的解释偏差更多属于系统误差。成像测井在地层信息上可获得可视化图像，可有效识别天然裂缝或断层发育位置[28]。在利用井壁崩落法分析地应力方位时，可排除天然裂缝或断层干扰。因此，基于成像测井的井壁崩落法分析地应力方位是准确的。

钻井诱导缝的形成主要受控井壁上的应力状态，应力释放缝诱因是水平差应力达到某一数值时，井眼SH方位上挤压力超过岩石破裂压力，会在井壁上产生应力释放裂缝。图4 所示的重泥浆压裂缝是诱导缝的一种，重泥浆压裂缝相比井壁崩落形成的双轨图像，走向读数更加清晰准确。一般在地表浅层，SH>Sh>Sv（Sv—垂向主应力的绝对值，MPa），重泥浆压裂缝走向为与SH方位相同的水平缝；在中深层区域，当SH>Sv>Sh时，重泥浆压裂缝为与SH走向相同的垂直缝，当SH>Sv≈Sh时，产生是垂直缝或水平缝；在超深地层中，Sv>SH>Sh，重泥浆压裂缝走向为与SH方位相同的垂直缝[29]。在利用重泥浆压裂缝判断地应力方位时，排除垂直天然裂缝的干扰十分关键。有垂直天然裂缝存在时，天然裂缝的双轨在成像测井上常表现为非180◦对称。天然裂缝诱发的崩落，很少产生对称性的双轨现象。另外，天然裂缝受岩石力学层影响，垂向上穿层现象少见[30]。据此判断G6 井产生重泥浆压裂缝的位置没有垂直天然裂缝存在。若同时发育有崩落，压裂缝方位与崩落方位近垂直（图4）。因此，基于成像测井资料的诱导裂缝法解释地应力方位最为准确，岩芯差应变分析和邻井基于水力压裂的微地震监测分析的地应力方位结果可进一步印证其准确性（图6a，图6b）。

波速各向异性法判断直井地应力方位的依据是横波分裂现象，但产生横波分裂现象的原因有多种，如裂缝性地层、断层、应力各向异性地层或者地层倾角较大时都可以产生横波分裂现象[31]。研究区的地层倾角较小，G6 井在沙河街组三段未钻遇断层，可排除断层和地层倾角的干扰。G6 井岩芯和成像测井资料表明有多组天然裂缝存在，以近E——W向和近S——N 向裂缝最为发育，导致波速各向异性方位较为复杂（图6d）。由于天然裂缝发育的密度相对较小，因此，波速各向异性优势方位仍是由地应力的各向异性主导。当剔除裂缝发育段影响时，波速各向异性法分析的水平应力方位结果与基于成像测井的井壁崩落法和诱导缝法判断的地应力方位相一致。因此，在利用偶极声波测井资料结合波速各向异性法分析直井地应力方位时，应分析产生横波分裂的主导因素，排除非应力各向异性的干扰，进行必要的校正工作，才能获取更接近实际地应力的方位。

5 结论

（1）不同测井资料在解释地应力方位时都有一定的条件限制，需进行必要的处理来获取准确的解释结果。成像测井的钻井诱导裂缝法和井壁崩落法易于排除非应力因素干扰，判断的地应力方位最为准确。

（2）基于地层倾角测井资料的井壁崩落法和基于偶极声波测井资料的波速各向异性法，在解释地应力方位时，不同程度地受天然裂缝、应力各向异性和断层等因素的影响，需分析产生井壁崩落和横波分裂的主导因素，并进行适当的校正工作。

（3）在单井地应力方位评价中应以成像测井的钻井诱导缝法和井壁崩落法为主，地层倾角测井的井壁崩落法为辅助，而对于偶极声波测井的波速各向异性法分析的地应力方位，需结合地质或测试资料进一步分析。